1.6.3. Поверочные схемы

Обеспечение правильной передачи размера единиц физических величин (и, как следствие, обеспечение единства измерений) во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем (ПС).

Поверочная схема – это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Государственная ПС распространяется на все СИ данной ФВ, имеющихся В России. Локальная ПС распространяется на СИ данной ФВ, применяемые в регионе, области, ведомстве или на отдельном предприятии.

Государственная поверочная схема передачи единиц измерения физических величин от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Государственная схема передачи единиц измерения физических величин

от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений [9]

Согласно схеме на рис. 1.1, между разрядами рабочих эталонов существует соподчиненность: рабочие эталоны 1 разряда поверяются, как правило, непосредственно по вторичным эталонам, рабочие эталоны 2-го и последующего разрядов подлежат поверке по рабочим эталонам непосредственно предшествующих разрядов.

Как видно из данной схемы, рабочие средства измерений высшей точности могут поверяться по рабочим эталонам 1 разряда; рабочие средства измерений высокой точности – по рабочим эталонам 2 разряда; средней точности – по рабочим эталонам 3 разряда; нормальной точности – по рабочим эталонам 4 разряда; технические средства измерений – по рабочим эталонам 5 разряда.

Иногда при ответе на вопрос, чем отличаются рабочие эталоны от рабочих средств измерений, можно услышать от студента, что рабочие средства измерений обладают меньшей точностью по сравнению с рабочими эталонами. Данное утверждение неверно, т.к. главное отличие рабочих эталонов от рабочих средств измерений заключается в том, что рабочие эталоны используются для передачи размера единиц измерений (т. е. для поверки или калибровки приборов), а рабочие средства измерений используются непосредственно в обычных измерениях. Что же касается соотношения точности этих средств измерений, то из рисунка 1.1 видно, что рабочие средства измерений высшей точности и рабочие эталоны второго разряда обладают примерно одинаковой точностью, а рабочие средства измерений высокой точности обладают большей точностью, чем, например, рабочие эталоны пятого или четвертого разрядов.

При передаче единиц измерений следует строго придерживаться связей, указанных на рис. 1.1, в противном случае последствия могут быть очень серьезными.

1.7. Характеристики средств измерений

Статической характеристикой прибора (см. рис. 1.2) называется зависимость выходной величины y от входной величины x в установившемся режиме работы (т.е. когда x и y не меняются во времени: x=const, y=const), выраженная таблично, графически или аналитически.

С татическую характеристику получают следующим образом (см. рис. 1.3, таблицу 1.3):

1 ) подают на вход прибора постоянное значение входного сигнала x=х₀=const (см. рис. 1.3, а);

2) дожидаются установившегося режима работы прибора, когда его выходной сигнал y станет постоянным (см. рис. 1.3, б), т.е. когда x=const, y=const;

3) измеряют значение входного сигнала х=х₀ и выходного сигнала y=y₀, а результаты измерения записывают в таблицу (см. таблицу 1.3);

4) повторяют необходимое количество раз пункты 1–3, подавая на вход различные значение входного сигнала х=x_i=const, i= .

В результате получают таблицу значений x и y (табличное выражение статической характеристики прибора). Используя данные таблицы, строят статическую характеристику в виде графической зависимости (см. рис. 1.3, в) y=f(x) (графическое выражение статической характеристики прибора). Функция f(x) представляет собой аналитическое выражение статической характеристики.

а)

б)

в)

Рис. 1.3. Экспериментальное определение статической характеристики прибора:

а) изменение входного сигнала x в ходе экспериментального определения статической характеристики;

б) изменение выходного сигнала y в ходе экспериментального определения статической характеристики;

в) полученная статическая характеристика y=f(x) (выраженная графически)

Для приборов наилучшей является линейная статическая характеристика y=kx+a, где а – постоянная, k – передаточный коэффициент, причем среди линейных статических характеристик более предпочтительны характеристики, для которых a=0, т.е. y=kx.

Самой желательной статической характеристикой прибора является y=x, получаемая при коэффициенте передачи k=1. В этом случае искомое значение физической величины отсчитывают непосредственно по шкале прибора.

Примеры линейных и нелинейных статических характеристик приборов представлены на рис. 1.4.

Р ис. 1.4. Примеры статических характеристик приборов:

а) нелинейная статическая характеристика;

б) линейная статическая характеристика y=kx+a;

в) линейная статическая характеристика y=kx.

Чувствительность S прибора представляет собой предел отношения приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала, т.е.

.

Чувствительность прибора численно равна тангенсу угла наклона касательной к графику, представляющему статическую характеристику, т. е.: (рис. 1.4). В случае линейной статической характеристики чувствительность прибора постоянна и численно равна передаточному коэффициенту k:

.

Чувствительность является мерой, при помощи которой сравнивают приборы для измерения одинаковых физических величин (чем выше чувствительность, тем прибор лучше).

П орог чувствительности прибора х – это минимальное изменение входного сигнала, которое может быть зарегистрировано (обнаружено, замечено) с помощью прибора без применения дополнительных технических средств.

Для приборов часто характерен гистерезис – (магнитный, электрический, механический), когда значения выходного сигнала y при одних и тех же значениях входного сигнала x не совпадают при прямом и обратном ходе. В этом случае статическая характеристика прибора имеет вид так называемой петли гистерезиса (см. рис. 1.5).

Причинами гистерезиса обычно являются: наличие трения в деталях прибора; наличие люфтов (зазоров) между деталями прибора.

Гистерезис является причиной существования порога чувствительности прибора и, как следствие, возникновения вариации показаний прибора. Гистерезис понижает точность измерений, поэтому желательно свести его к минимуму.